Liste der Laseranwendungen

Seit der Erfindung des Lasers im Jahr 1958 wurden zahlreiche wissenschaftliche, militärische, medizinische und kommerzielle Laseranwendungen entwickelt . Die Kohärenz , die hohe Monochromasie und die Fähigkeit, extrem hohe Leistungen zu erreichen , sind allesamt Eigenschaften, die diese spezialisierten Anwendungen ermöglichen.

In der Wissenschaft werden Laser auf vielfältige Weise eingesetzt, unter anderem:

• Eine breite Palette interferometrischer Techniken
• Raman-Spektroskopie
• Laserinduzierte Plasmaspektroskopie
• Atmosphärische Fernerkundung
• Untersuchung nichtlinearer optischer Phänomene
• Holographische Techniken unter Verwendung von Lasern tragen auch zu einer Reihe von Messtechniken bei.
• Anwendungen der laserbasierten Lidar-Technologie (Light Radar) in der Geologie , Seismologie , Fernerkundung und Atmosphärenphysik .
• Dreidimensionale Strukturmodifikationen und Schreiben in technologischen Materialien. ^{[ 1 ]}
• Laser wurden bereits an Bord von Raumfahrzeugen wie der Cassini-Huygens -Mission eingesetzt. ^{[ 2 ]}
• In der Astronomie werden Laser zur Erzeugung künstlicher Laserleitsterne eingesetzt , die als Referenzobjekte für Teleskope mit adaptiver Optik dienen .

Laser können auch indirekt in der Spektroskopie als Mikroprobenahmesystem eingesetzt werden. Diese Technik wird als Laserablation (LA) bezeichnet und typischerweise auf ICP-MS- Geräte angewendet, was zum leistungsstarken LA-ICP-MS führt.

Die Prinzipien der Laserspektroskopie werden von Demtröder diskutiert. ^{[ 3 ]}

Die meisten Lasertypen sind von Natur aus reine Lichtquellen; sie emittieren nahezu monochromatisches Licht mit einem sehr genau definierten Wellenlängenbereich . Durch sorgfältige Konstruktion der Laserkomponenten lässt sich die Reinheit des Laserlichts (gemessen als Linienbreite ) stärker verbessern als die Reinheit jeder anderen Lichtquelle. Dies macht den Laser zu einer äußerst nützlichen Quelle für die Spektroskopie . Die hohe Lichtintensität, die in einem kleinen, gut kollimierten Strahl erreicht werden kann, ermöglicht es, in einer Probe einen nichtlinearen optischen Effekt hervorzurufen, wodurch Techniken wie die Raman-Spektroskopie möglich werden. Andere laserbasierte spektroskopische Verfahren können zur Herstellung hochempfindlicher Detektoren für verschiedene Moleküle eingesetzt werden, die Molekülkonzentrationen im Bereich von 10¹² ppt messen können ^. Aufgrund der hohen Leistungsdichten, die mit Lasern erzielt werden können, ist strahlinduzierte Atomemission möglich: Diese Technik wird als laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) bezeichnet.

Die Wärmebehandlung mit Lasern ermöglicht eine selektive Oberflächenhärtung gegen Verschleiß bei minimaler oder gar keiner Verformung des Bauteils. Da dadurch ein Großteil der bisher üblichen Nachbearbeitung entfällt, amortisieren sich die Investitionskosten des Lasersystems in kurzer Zeit. Zudem wurde eine inerte, absorbierende Beschichtung für die Laserwärmebehandlung entwickelt, die die bei herkömmlichen Lackbeschichtungen während des Wärmebehandlungsprozesses mit CO₂-Laserstrahlen entstehenden Dämpfe _eliminiert .

Ein entscheidender Faktor für den Erfolg einer Wärmebehandlung ist die Kontrolle der Laserstrahlintensität auf der Werkstückoberfläche. Die optimale Intensitätsverteilung wird durch die Thermodynamik der Laser-Material-Wechselwirkung und die Werkstückgeometrie bestimmt.

Typischerweise erfüllen Bestrahlungsstärken zwischen 500 und 5000 W/cm² die thermodynamischen Anforderungen und ermöglichen eine schnelle Oberflächenerwärmung bei minimalem Wärmeeintrag. Für die allgemeine Wärmebehandlung ist ein gleichmäßiger quadratischer oder rechteckiger Strahl eine der besten Optionen. Bei speziellen Anwendungen oder wenn die Wärmebehandlung an einer Kante oder Ecke des Bauteils erfolgt, kann es vorteilhaft sein, die Bestrahlungsstärke zum Rand hin zu verringern, um ein Schmelzen zu verhindern.

Forschungen zeigen, dass Wissenschaftler eines Tages mithilfe von Hochenergielasern Regen und Gewitter auslösen (und auch andere Wetterphänomene gezielt beeinflussen) könnten . Ein solcher Durchbruch könnte Dürren beseitigen , wetterbedingte Katastrophen abmildern und Wetterressourcen gezielt in bedürftige Gebiete lenken. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Als die Apollo-Astronauten den Mond besuchten, installierten sie dort Retroreflektoranlagen , um das Lunar Laser Ranging Experiment (LLRE) zu ermöglichen . Laserstrahlen werden mithilfe großer Teleskope auf der Erde auf die Anlagen fokussiert, und die Zeit, die der Strahl für die Reflexion zurück zur Erde benötigt, wird gemessen, um die Entfernung zwischen Erde und Mond mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Einige Lasersysteme können durch Modenkopplung extrem kurze Lichtimpulse erzeugen – im Bereich von Pikosekunden oder Femtosekunden (10⁻¹² ^bis 10⁻¹⁵ ^Sekunden ). Solche Impulse lassen sich nutzen, um chemische Reaktionen zu initiieren und zu analysieren – eine Technik, die als Photochemie bekannt ist . Die kurzen Impulse ermöglichen es, den Reaktionsverlauf mit sehr hoher zeitlicher Auflösung zu untersuchen und so kurzlebige Zwischenprodukte nachzuweisen. Diese Methode ist besonders in der Biochemie nützlich , wo sie zur Analyse von Details der Proteinfaltung und -funktion eingesetzt wird.

Laser-Barcodescanner eignen sich ideal für Anwendungen, die ein schnelles Einlesen von linearen Codes oder gestapelten Symbolen erfordern.

Eine Technik, die in letzter Zeit Erfolge erzielt hat, ist die Laserkühlung . Dabei werden Atome in einer speziell geformten Anordnung elektrischer und magnetischer Felder eingeschlossen . Durch das Bestrahlen der Ionen oder Atome mit Licht bestimmter Wellenlängen werden diese abgebremst und somit gekühlt . Im Verlauf dieses Prozesses werden alle Atome abgebremst und weisen das gleiche Energieniveau auf. Dadurch entsteht eine ungewöhnliche Materiestruktur, das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat .

Einige der weltweit leistungsstärksten und komplexesten Anordnungen mehrerer Laser und optischer Verstärker werden zur Erzeugung extrem intensiver Lichtimpulse von extrem kurzer Dauer eingesetzt, z. B. im Laboratory for Laser Energetics , der National Ignition Facility , bei GEKKO XII , dem Nike-Laser , dem Laser Mégajoule und HiPER . Diese Impulse sind so angeordnet, dass sie gleichzeitig aus allen Richtungen auf Tritium - Deuterium -Pellets treffen , in der Hoffnung, dass der Quetscheffekt der Aufpralle die Kernfusion in den Pellets auslöst. Diese Technik, bekannt als Trägheitsfusion , hat bisher noch keinen Energieausgleich erreicht, d. h. die Fusionsreaktion erzeugt bisher weniger Energie, als für den Betrieb der Laser benötigt wird. Experimente an der National Ignition Facility konnten jedoch Fusionsreaktionen demonstrieren, die mehr Energie erzeugen, als in den treibenden Lasern enthalten ist. ^{[ 6 ]}

Leistungsstarke Laser, die ultrakurze (im Bereich von Femtosekunden) und ultraintensive ( bis zu 10^²³ W/cm^² ) Laserpulse erzeugen, bieten deutlich höhere Beschleunigungsgradienten als herkömmliche Beschleuniger . Dieser Umstand wird in verschiedenen Plasma-Beschleunigungstechniken genutzt , mit denen sowohl Elektronen als auch geladene Ionen auf hohe Energien beschleunigt werden.

Die konfokale Laserscanning-Mikroskopie und die Zwei-Photonen-Anregungsmikroskopie nutzen Laser, um scharfe Bilder dicker Proben in verschiedenen Tiefen zu erhalten. Die Lasermikrodissektion verwendet Laser, um unter mikroskopischer Sicht spezifische Zellpopulationen aus einem Gewebeschnitt zu gewinnen.

Zu den weiteren Lasermikroskopie-Techniken gehören die harmonische Mikroskopie, die Vierwellenmischungsmikroskopie ^{[ 7 ]} und die interferometrische Mikroskopie. ^{[ 8 ]}

Eine Laserwaffe ist eine auf Lasern basierende Waffe mit gerichteter Energie .

Die Einsatzmöglichkeiten defensiver Gegenmaßnahmen reichen von kompakten, energiearmen Infrarot-Gegenmaßnahmen bis hin zu leistungsstarken, luftgestützten Lasersystemen. Infrarot-Gegenmaßnahmensysteme nutzen Laser, um die Suchköpfe von infrarotgelenkten Raketen zu stören.

Manche Waffen nutzen einfach einen Laser, um eine Person zu desorientieren. Eine solche Waffe ist der Thales Green Laser Optical Warner . ^{[ 9 ]}

Die Laserlenkung ist eine Technik, bei der ein Flugkörper , ein anderes Projektil oder ein Fahrzeug mithilfe eines Laserstrahls zu einem Ziel gelenkt wird.

Eine weitere militärische Anwendung von Lasern ist der Einsatz als Laserzielmarkierer . Dabei handelt es sich um einen Laserpointer mit geringer Leistung, der ein Ziel für präzisionsgelenkte Munition anzeigt , die typischerweise von einem Flugzeug aus gestartet wird. Die gelenkte Munition passt ihre Flugbahn an, um das vom Ziel reflektierte Laserlicht aufzuspüren und so eine hohe Zielgenauigkeit zu ermöglichen. Die Pulsfrequenz des Laserzielmarkierers ist auf die der gelenkten Munition abgestimmt, um sicherzustellen, dass die Munition ihr Ziel trifft und nicht anderen Laserstrahlen in der Umgebung folgt. Der Laserzielmarkierer kann von einem Flugzeug oder von Infanterie in der Nähe auf das Ziel gerichtet werden. Die hierfür verwendeten Laser sind üblicherweise Infrarotlaser , sodass der Feind das Ziellicht nur schwer orten kann.

Der Laser wird in den meisten Schusswaffenanwendungen zur Zielverbesserung anderer Waffensysteme eingesetzt. Ein Laserzielgerät ist beispielsweise ein kleiner, meist im sichtbaren Licht emittierender Laser, der an einer Pistole oder einem Gewehr angebracht und so ausgerichtet wird, dass er einen Strahl parallel zum Lauf aussendet. Da ein Laserstrahl eine geringe Divergenz aufweist, erscheint das Laserlicht selbst auf große Entfernungen als kleiner Punkt. Der Schütze zielt mit diesem Punkt auf das gewünschte Ziel, und der Lauf der Waffe wird ausgerichtet (wobei jedoch Geschossabfall , Winddrift , Abstand zwischen Strahlrichtung und Laufachse sowie die Zielbewegung während des Fluges nicht unbedingt berücksichtigt werden).

Die meisten Laserzielgeräte verwenden eine rote Laserdiode. Andere nutzen eine Infrarotdiode , um einen für das bloße Auge unsichtbaren, aber mit Nachtsichtgeräten erkennbaren Punkt zu erzeugen. Das adaptive Zielerfassungsmodul LLM01 für Schusswaffen kombiniert sichtbare und infrarote Laserdioden. Ende der 1990er-Jahre kamen grüne, diodengepumpte Festkörperlaser -Zielgeräte (DPSS) mit einer Wellenlänge von 532 nm auf den Markt.

Die US-Luftwaffe entwickelte eine weniger tödliche Laserwaffe, um die Fähigkeit eines Gegners, Waffen abzufeuern oder feindliche Streitkräfte anderweitig zu bedrohen, vorübergehend zu beeinträchtigen. Dieses Gerät beleuchtet den Gegner mit harmlosem Laserlicht geringer Leistung und kann ihn blenden, desorientieren oder zur Flucht veranlassen. Verschiedene Blendgeräte sind mittlerweile verfügbar, einige wurden bereits im Kampf eingesetzt.

Die Möglichkeit, Laser zur Blendung einzusetzen, besteht weiterhin, da dies relativ geringe Leistungsstufen erfordert und mit einem tragbaren Gerät leicht realisierbar ist. Die meisten Nationen betrachten die vorsätzliche, dauerhafte Blendung des Gegners jedoch als durch das Kriegsrecht verboten (siehe Protokoll über blendende Laserwaffen ). Obwohl mehrere Nationen blendende Laserwaffen entwickelt haben, wie beispielsweise Chinas ZM-87 , hat es vermutlich keine dieser Waffen über das Prototypenstadium hinaus geschafft.

Neben den Anwendungen, die sich mit militärischen Anwendungen überschneiden, ist eine weithin bekannte Anwendung von Lasern durch die Strafverfolgungsbehörden die Verwendung von Lidar zur Messung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen.

Ein holografisches Zielfernrohr nutzt eine Laserdiode, um ein Hologramm eines Fadenkreuzes zu beleuchten, das in ein flaches optisches Glasfenster des Zielfernrohrs integriert ist. Der Benutzer blickt durch das optische Fenster und sieht ein Fadenkreuzbild, das in einiger Entfernung im Sichtfeld überlagert ist . ^{[ 10 ]}

• Kosmetische Chirurgie ( Entfernung von Tätowierungen , Narben, Dehnungsstreifen, Pigmentflecken, Falten, Muttermalen und Haaren): siehe Laser-Haarentfernung . Zu den in der Dermatologie verwendeten Lasertypen gehören Rubinlaser (694 nm), Alexandritlaser (755 nm), gepulster Diodenarray-Laser (810 nm), Nd :YAG-Laser (1064 nm), Ho :YAG-Laser (2090 nm) und Er :YAG-Laser (2940 nm).
• Augenchirurgie und refraktive Chirurgie
• Weichteilchirurgie : CO₂ _-Laser , Er:YAG-Laser
• Laserskalpell (Allgemeinchirurgie, Gynäkologie, Urologie, Laparoskopie)
• Photobiomodulation (d. h. Lasertherapie)
• Berührungslose Entfernung von Tumoren, insbesondere des Gehirns und des Rückenmarks.
• In der Zahnmedizin für Kariesentfernung , endodontische / parodontale Behandlungen, Zahnaufhellung und oralchirurgische Eingriffe
• Krebsbehandlung
• _{Behandlung von} Verbrennungs- und Operationsnarben: Narbenkontraktur ( insbesondere die neueren fraktionierten CO2 _- Laser), Rötung und Juckreiz (Pulsed Dye Laser - PDL), postinflammatorische Hyperpigmentierung (Q-Switched Laser: Ruby, Alexandrit), unerwünschter Haarwuchs und eingewachsene Haare in Verbrennungsnarben (Ruby, IPL und zahlreiche Haarentfernungslaser)

Industrielle Laseranwendungen lassen sich je nach Laserleistung in zwei Kategorien unterteilen: Materialbearbeitung und Mikromaterialbearbeitung.

In der Materialbearbeitung werden Laser mit einer mittleren optischen Leistung von über 1 Kilowatt hauptsächlich für industrielle Anwendungen eingesetzt. Oberhalb dieser Leistungsschwelle treten thermische Probleme im Zusammenhang mit der Optik auf, die diese Laser von ihren leistungsschwächeren Pendants unterscheiden. ^{[ 11 ]} Lasersysteme im Bereich von 50–300 W werden primär zum Pumpen , Kunststoffschweißen und Löten verwendet . Laser mit einer Leistung über 300 W kommen beim Hartlöten , Dünnmetallschweißen und Blechschneiden zum Einsatz . Die erforderliche Helligkeit (gemessen am Strahlparameterprodukt) ist beim Schneiden höher als beim Hartlöten und Dünnmetallschweißen. ^{[ 12 ]} Hochleistungsanwendungen wie Härten , Plattieren und Tiefschweißen erfordern optische Leistungen im Kilowattbereich und werden in einer Vielzahl industrieller Prozesse eingesetzt.

Die Mikromaterialbearbeitung ist eine Kategorie, die alle Laseranwendungen zur Materialbearbeitung unter 1 Kilowatt umfasst. ^{[ 13 ]} Der Einsatz von Lasern in der Mikromaterialbearbeitung findet breite Anwendung in der Entwicklung und Herstellung von Bildschirmen für Smartphones, Tablet-Computer und LED-Fernseher. ^{[ 14 ]}

Eine detaillierte Liste industrieller und kommerzieller Laseranwendungen umfasst:

• Laserschneiden
• Laserschweißen
• Laserbohren
• Lasermarkierung
• Laserreinigung
• Laserauftragschweißen ist ein Oberflächenbearbeitungsverfahren, das bei mechanischen Bauteilen zur Instandsetzung, Reparatur oder Hartauftragung angewendet wird.
• Fotolithografie
• Optische Kommunikation über Glasfaser oder im Freiraum
• Laserstrahlverfestigung
• Leitsysteme (z. B. Ringlasergyroskope )
• Laser - Entfernungsmesser / Vermessung
• Lidar- /Umweltüberwachung
• Digitale Minilabore
• Barcode-Lesegeräte
• Lasergravur der Druckplatte
• Laserkleben von additiven Markierungsmaterialien für Dekoration und Kennzeichnung,
• Laserpointer
• Lasermäuse
• Laser-Beschleunigungsmesser
• OLED-Display -Herstellung
• Holographie
• Bubblegrams
• Optische Pinzette
• Untertitelung von Kinofilmen . ^{[ 15 ]}​
• Energieübertragung per Strahltechnik ist eine mögliche Lösung, um Energie auf die Fahrgäste eines Weltraumaufzugs zu übertragen.
• 3D-Laserscanner für präzise 3D-Messungen
• Laserlinien-Nivelliergeräte werden in der Vermessung und im Bauwesen eingesetzt. Laser werden auch zur Flugführung verwendet .
• Umfangreich eingesetzt sowohl in bildgebenden Geräten für Endverbraucher als auch für die Industrie.
• Bei Laserdruckern spielen Gas- und Diodenlaser eine Schlüsselrolle bei der Herstellung hochauflösender Druckplatten und bei Bildscannern.
• Diodenlaser werden in der Industrie als Lichtschalter eingesetzt. Sie bestehen aus einem Laserstrahl und einem Empfänger, der sich ein- oder ausschaltet, wenn der Strahl unterbrochen wird. Da ein Laser die Lichtintensität über größere Entfernungen aufrechterhalten kann als normales Licht und zudem präziser ist, eignet er sich zur Produkterkennung in der automatisierten Produktion.
• Laserausrichtung
• Additive Fertigung
• Kunststoffschweißen
• Messtechnik – Hand- und Roboterlasersysteme für die Luft- und Raumfahrt , die Automobilindustrie und den Schienenverkehr
• Zum Speichern und Abrufen von Daten auf optischen Datenträgern wie CDs und DVDs
• Blu-ray

• Viele Musikkonzerte werden von Laserlichtshows begleitet.
• Laser Tag
• Laserharfe : ein Musikinstrument, bei dem die Saiten durch Laserstrahlen ersetzt werden.
• Als Lichtquelle für digitale Kinoprojektoren ^{[ 16 ]}

• 
  Lasermodelle in verschiedenen Farben
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  Q-Linien-Laser
• 
  Beim Classical Spectacular-Konzert 2005 wurden Laser eingesetzt.
• 
  Eine Laserharfe
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  Die Oberfläche eines Testobjekts verdampft augenblicklich und entzündet sich bei Bestrahlung mit einem Hochleistungs- Kohlendioxidlaser im Dauerstrichbetrieb , der mehrere zehn Kilowatt Ferninfrarotlicht emittiert . Der Bediener befindet sich hinter Plexiglasscheiben , die im Ferninfrarotbereich undurchsichtig sind.

• Liste der Laserartikel
• Nicht-tödliche Waffe

• Artikel auf Coherent.com über Anwendungsgebiete für Laser